專利名稱：實時、現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系統的制作方法
實時、現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系統技術領域
本發明屬于自動化檢測技術領域。可廣泛用于國家安全、核實驗、核電站、核原料 開采、醫學、水處理過程中核污染監控、核泄漏檢測、核廢料監控、和環境控制。
背景技術：
由于經濟的發展，能源的短缺，以及對國家安全的考慮，促使世界各國核電工業迅 速崛起。在核能的開發與利用過程中，不可避免地要向環境排放放射性污染物。一旦造成 放射性污染，后果不堪想象。放射性污染物進入人體后，會繼續放出α、β射線，傷害人體 組織，并可積蓄在人體內部，促成貧血、惡性腫瘤等各種病癥及對其后代有不良影響。放射 性污染有以下特殊性(1)與一般化學毒害物質污染不同，放射性污染通常是無嗅無色，其 放射性與物質的化學狀態無關，很不容易察覺。( 每一種放射性核素都有一定的半衰期， 不因氣壓、溫度而改變。( 通常放射性核素都能發射出具有一定能量的一種或幾種射線 (α, β, γ射線)，除了核反應條件外，任何化學、物理、生物的處理都不能改變放射性核素 的性質，但放射性核素能隨著介質的擴散或流動在自然界中遷移，并進入植物、動物、人體 內被吸收、富集。
不少國家在核能的開發與利用過程中陸續出現放射性污染的情況，如前蘇聯的 切爾諾貝利核電站和美國核電站事故。美國、澳大利亞、葡萄牙等國的鈾礦污染，加拿大、波 蘭、蒙古和羅馬尼亞等國的核污染問題。為此，國際上一直重視放射性核素與環境關系的研 究。從監測放射性污染，發展到放射性污染的防治和修復，主要采用物理和化學技術，但如 何實時、現場地監測放射性污染，一直是個難題。
在現有放射性污染監測的方法中，通常以定點、定源抽樣，然后試驗室檢測的方 式，基本上是對強源進行檢查，而對放射性核素在水中的遷移、擴散、溶解/吸附的監測方 法非常薄弱。現有的探測器精度還不能直接測到水中的痕量放射性物質和輻射。傳統的水 中痕量放射性物質和輻射的監測方法操作復雜、精度低、成本高、具危險性，同時不能實現 實時監測。具體表現為(1)水樣預處理過程繁瑣，包括取樣、濃縮、轉換、洗滌、灼燒、灰化、 稱重等一系列環節。(2)檢測結果精度低，在檢測過程中的任何細小的水樣損失和樣品污染 都會造成檢驗結果的偏差。(3)在進行放射性粉末的操作時，檢測人員必須做好個人防護工 作，避免制作過程中偶爾吸入放射性粒子而傷害人體組織。(4)檢測成本昂貴，以目前普遍 用的ICP儀器為例，其新機市場價在250，000USD到450，000. 00USD，還要用昂貴的貴重惰性 氣體氬氣(每臺機每年約消耗2，000. OOUSD到4，000. 00USD)。( 水樣結果是呈現幾天前 的水源污染情況，不具有實時現場監測的能力，對突發事件不能進行實時報警，貽誤采取相 應措施的最佳時機。發明內容
本發明的目的是提供一種實時、現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系 統，用于水中痕量放射性物質和輻射的監測，具有操作簡單、精度高、成本低，并利用太陽能和無線數據收發，克服現有技術中存在的操作復雜、精度低、成本高、具危險性，同時不能實 現實時監測等缺點。
本發明由放置在監測水域的數據采集、處理、數據信號傳輸部分和遠程監測主控 部分組成。其中的監測水域的數據采集、處理、數據信號傳輸部分包括浮在監測現場水面上 的水面平臺，固定在水面平臺上面的浮筒，安裝在浮筒內的由全球衛星定位(GPQ模塊，包 括微處理器、數據轉換和存儲單元的數據處理系統，無線通信模塊組成的數據處理和電信 號無線發送裝置，安裝在浮筒上的太陽能電池板及發射天線，固定在水面平臺上浸在水中 的放射性輻射探測器，與放射性輻射探測器連結的由滲透膜和高分子凝膠組成的放射性核 素累積裝置，沉在水底的蓄電池，連接蓄電池和數據處理、信號發射電路及太陽能電池板充 電控制電路的電纜；遠程監測主控部分包括無線信號接收機和主控計算機。
其中，數據采集、處理、數據信號傳輸部分中的放射性輻射探測器可選用現有的各 種高純鍺(HPGe)探測器、高純鍺X射線探測器、硅(鋰)Si (Li)、硅漂移探測器、平面工 藝硅(Si-PIN)探測器等X射線探測器、帶電粒子探測器Si-PIN探測器、硅面壘探測器、 硅(鋰)探測器、閃爍探測器Nal (Tl)、Cs(Tl)等與光電倍增管的組合體、LaCl3(Ce), LaBr3(Ce)閃爍探測器，GS0:Ce，LS0:Ce，BSO，BGO，BaF2閃爍探測器，碲化鎘和碲鋅鎘(CdTe/ CdZnTe)半導體探測器，金剛石探測器，正比管(PC)。
無線通信模塊可選用無線通信模塊選用范圍包括射頻通信模塊，3G無線通信模 塊，GSM/GPRS或CDMA模塊，藍牙模塊，衛星通信模塊，紅外模塊，微波通信模、IEEE802. 11模 塊，IEEE802. 15模塊，IEEE802. 16模塊，無線RS-232模塊，無線UWB，無線電USB模塊中的 一種或一種以上.
本發明的工作過程是
水面平臺放入待測水域，同時和電纜、蓄電池連接，蓄電池作為備用電源和沉底重 物以防系統隨水流漂離待測定水域。水面平臺上的浮筒用來保證整個數據處理及發射系 統、太陽能電池板和天線浮在水面之上正常工作。太陽能電池板以及太陽能充電控制電路 和蓄電池相連，將太陽能轉換成電能儲存并給整個系統供電。由于雙電源供電，即使在連續 陰雨、日照不充分的情況下也可以轉換到蓄電池供電，以保證系統在水中不間斷地進行放 射性核素及輻射量的探測，實時數據的處理和發射。
水面平臺下的放射性核素累積裝置對水中的放射性核素進行富集，探測器對輻射 量的實時數據采集，探測器、光電轉換器件、信號放大整型電路三部分形成信號通道，將放 射性核素的輻射強度轉換成計數脈沖，數據處理與控制單元完成探測數據的處理，處理完 的數據經接口轉換電路，由通信模塊經天線發送至遠程主監測計算機。所述的放射性輻射 探測器測量的放射性包括α、β、Y、Χ射線、中子中的一種或一種以上。測量的內容包括核 素識別、核素劑量率、計數率、劑量率、累計劑量、平均劑量信息中的一種或一種以上。主控 計算機以曲線圖/數據表方式實時顯示放射性核素的輻射量和濃度以及空間和時間信息， 還可以根據需要動態實時顯示某一段時間區域內的監測結果，可回放某時間區域的監測數 據，從后臺數據庫中查詢全部或某一時間點的歷史數據，預設閾值，實時報警。
本發明監測系統的優點是
1、擴大了低痕量方向的監測范圍，本發明中的由滲透膜和高分子凝膠組成的放射 性核素累積裝置，將水和高分子凝膠的樹脂隔離開來，通過中間層來控制放射性核素和凝膠的離子交換過程。由于高分子凝膠和放射性核素的結合作用，使外部水和內部結合的凝 膠之間的中間層形成了一個放射性核素的濃度差，這樣，待測的放射性核素累積的量和累 積時間有一個對應關系，在分離和累積的時間內，放射性核素的擴散通量可以用Fick擴散 定律進行計算，由探測器測得累積的量便可計算出水中的痕量放射性核素的輻射量和濃 度。這一技術可以探測水中非常低的痕量離子濃度(可達到KTmol/L)。目前世界上最先 進的探測器也不可能直接探測到這么低的痕量離子濃度。能夠廣泛應用于核試驗場、核電 廠、采石場、制藥廠、醫院、試驗室、金屬處理廠、飲用水處理廠、衛生防疫、河流和環境保護 等部門對水源的日常實時監測。在出現核與輻射異常情況時，及時提供采取相應行動的決 策依據，以便迅速啟動應急救援系統，把核與輻射突發事件對社會的危害和人員的損傷降 低到最低程度，對防范核與輻射恐怖事件也具有十分重要的意義。
2、主控計算機以曲線圖/數據表方式實時顯示放射性核素的輻射量和濃度以及 空間和時間信息，還可以根據需要動態實時顯示某一段時間區域內的監測結果，可回放某 時間區域的監測數據，從后臺數據庫中查詢全部或某一時間點的歷史數據，預設閾值，實時 報警。工作人員可以立刻采取措施來應對突發事件和預防污染進一步擴散。這個是目前的 監測技術所達不到的。
3、監測精度高，對待測水域進行實時、現場的檢測。通過無線傳輸結果，可以對水 中的痕量放射性核素和輻射進行準確測量。精度比目前收集、預制和離場的實驗室測量方 法大大提高。在實驗室檢測過程中的任何細小的水樣損失和樣品污染，都會造成檢驗結果 大的偏差。
4、對監測人員無輻射危害，由于采用了遠程無線傳輸結果的方式，水中探測器代 替了測試人員頻繁的到未知輻射污染的水域進行采樣.同時，現場水域的檢測，使測試人 員避免了在實驗室中有可能受到來自采樣的輻射危害。
5、操作簡便，測試人員只需一次性地放入整個系統在待測放射性的水域中，即可 在遠程實時監控。目前所使用的實驗室方法需要對水樣進行處理，包括取樣、濃縮、轉換、 洗滌、灼燒、灰化、稱重等一系列環節。過程繁瑣，費時、費力。
6、成本低，一次系統安裝即可長時間的進行實時監控，總費用是目前實驗室檢測 費用的幾十分之一。
世界各國政府和人民現在對環境保護已達成共識，對我們賴以生存的地球環境的 改善已是刻不容緩的課題，國家環保體系建設“十一五”規劃中指出，要“按照國家要求規范 環境執法體系、環境監測體系、環境宣傳教育能力的標準化建設，加快完善環境監測網絡、 環境與核安全信息系統、環境事故應急監控和重大環境突發事件預警體系。”本系統完全適 用于環境輻射監測的要求，為此在環境監測領域有很廣闊的應用前景。
圖1為監測系統整體結構圖。
圖2為采用無線射頻信號傳輸的工作流程圖。
圖3為采用GPRS移動通信信號傳輸的工作流程圖。
具體實施方式
實施例一
參閱圖1、圖2，設浮在監測現場水面上的水面平臺5，水面平臺上面固定浮筒3，在 浮筒內安裝由全球衛星定位(GPQ模塊，包括微處理器、數據轉換和存儲單元的數據處理 系統，無線射頻發射模塊組成的數據處理和電信號無線發送裝置4，在浮筒上安裝太陽能電 池板2及發射天線1，在水面平臺下安裝浸在水中的放射性輻射探測器6，在放射性輻射探 測器上連結的放射性核素累積裝置7，設沉在水底的蓄電池8，連接蓄電池和數據處理電路 及太陽能電池板充電控制電路之間的電纜9，組成監測水域數據采集、數據處理、數據信號 無線發射部分。其中的放射性輻射探測器6為高純鍺(HPGe)探測器(內置銫-137標準 放射源，活度大約500Bq/15nCi，可對儀器進行能量自動校準)。其中的放射性核素累積裝 置由100微米厚、0. 45微米孔徑的硝酸纖維素滲透膜，聚丙烯酰胺和chelex-100樹脂相結 合的亞鐵氰化銅凝膠組裝構成。其中的控制數據的采集、處理、完成數據的無線發射選用 MSP430F1611芯片，其工作電壓為1. 8V 3. 6V、電流為0. 1 μ A 400 μ A，具有微功耗、微型 化特點。MSP430F1611芯片具有16個中斷源，可將CPU置于省電模式，也可在6 μ s時間內將 CPU喚醒，其高效的查表處理方法和較高的數據處理速度，完全滿足傳感器和無線傳輸電路 的數據采集及數據傳輸要求，且對于太陽能蓄電池供電系統也是有利的。其中，太陽能供電 部分由太陽能電池板、太陽能充電控制電路和蓄電池組成，由太陽能電池板吸收太陽光能 轉化成電能，輸送給太陽能充電控制電路，再由太陽能充電控制電路給蓄電池充電并向外 輸出6V的直流電壓信號.太陽能充電控制電路采用PHLIPS公司的8位單片P87LPC767，它 內含有4kB的EPROM存儲器和一個8位的A/D轉換器，結構簡單、功耗低，比較適合用作充電 器的控制芯片，蓄電池采用鉛酸蓄電池，并且采取防水措施，沉入水底，蓄電池作為沉底重 物以防系統隨水流漂離待測定水域，電池容量為6Ah.蓄電池和主控電路、探測器，GPS定點 和校時模塊及無線射頻模塊電路連接，作為其工作電源.由于雙電源供電，即使在連續陰 雨，日照不充分的情況下也可以轉換到蓄電池供電，以保證系統在水中不間斷地進行放射 性核素及輻射量的探測，實時數據的處理和發射.無線傳輸部分由無線射頻芯片電路、天 線和無線接收裝置組成.無線射頻芯片電路選用北歐集成電路公司的多頻段無線收發芯 片nRF905，它采用優化GMSK調制解調技術，可在155. 6kHz的有效帶寬下以最高達76. 8kb/ s的速度傳輸數據，其通道、頻段、輸出功率和輸出時鐘頻率等參數可以通過一個14位寄存 器進行設置.無線射頻芯片電路通過SPI總線與主控電路連接，通過MSP430單片機對其完 成必要的初始化配置和數據接收、發送等控制.射頻天線接口采用差分天線.
遠程監測的主控部分由天線、無線射頻接收裝置，主計算機組成。其中無線射頻接 收裝置也是在HRF905芯片基礎上設計的.整個系統的工作原理如下探測器采集的信號經 主控微處理器完成數據處理再由無線射頻芯片電路發送，無線信號經由無線射頻接收裝置 接收后，提取出數據，再經RS232接口傳送給遠程主計算機.主計算機平臺軟件采用Visual C++開發，并以SQL krver作為后臺數據庫，以曲線圖/數據表方式實時顯示監測結果，動 態實時顯示某一段時間區域內的監測結果，也可回放某時間區域的監測數據，根據需要從 后臺數據庫中查詢全部或某一時間點的歷史數據，預設閾值，實時報警.
實施例二
參閱圖1、圖3，設與實施例一相同宏觀結構的監測水域數據采集、數據處理、數據6信號無線發射部分和遠程監測的主控部分。所不同的是放射性核素累積裝置7，由100微米 厚，0. 45微米孔徑的硝酸纖維素滲透膜、聚丙烯酰胺和同質化聚丙烯酸樹脂相結合的亞鐵 氰化銅凝膠組裝而成，該裝置和碘化鈉(NaI)閃爍探測器(內置銫-137標準放射源、活度 大約500Bq/15nCi，可對儀器進行能量自動校準)連接，放入水中，用于探測結合在亞鐵氰 化銅凝膠里的銫-137核素的濃度和總的輻射量，這一系統可測到水中低于lBq/m3濃度的 銫-137核素。
本實施例主控微處理器、GPS定位和校時模塊、電源和主計算機及平臺軟件采用實 施例一的相同配置。無線發射和接受采用GPRS (General Packet Radio krvice)模塊。 GPRS分組交換技術是利用現有GSM系統。使得移動通信和數據網絡合二為一。具有極速傳 送、永遠在線和價格實惠等特點。GPRS網絡通過移動的服務器和hternet連在一起，可實 現長距離遠程實時監控，同時還可以將各個不同水域的監控點聯結組成總的實時監控網絡 系統。
權利要求
1.實時、現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系統，其特征是由放置在監 測水域的數據采集、處理、數據信號傳輸部分和遠程監測主控部分組成，其中的監測水域的 數據采集、處理、數據信號傳輸部分包括浮在水面上的水面平臺，固定在水面平臺上面的浮 筒，安裝在浮筒內的由GPS模塊，包括微處理器、數據轉換和存儲單元的數據處理系統，無 線通信模塊組成的數據處理和電信號無線發送裝置，安裝在浮筒上的太陽能電池板及發射 天線，固定在水面平臺下的放射性輻射探測器，與放射性輻射探測器連結的由滲透膜和高 分子凝膠組成的放射性核素累積裝置，沉在水底的蓄電池，連接蓄電池和數據處理、信號發 射電路及太陽能電池板充電控制電路的電纜；遠程監測主控部分包括無線信號接收機和主 控計算機。
2.根據如權利要求1所述的實時，現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系 統，其特征是其中的放射性核素累積裝置由100微米厚、0. 45微米孔徑的硝酸纖維素滲透 膜，聚丙烯酰胺和chelex-100樹脂相結合的亞鐵氰化銅凝膠組成。
3.根據如權利要求1所述的實時，現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系 統，其特征是其中的放射性輻射探測器為內置銫-137，活度大約500Bq/15nCi的標準放 射源，可對儀器進行能量自動校準的高純鍺探測器，其中的控制數據的采集、處理、完成數 據的無線發射選用MSP430F1611芯片，太陽能充電控制電路采用PHLIPS公司的8位單片 P87LPC767，無線射頻芯片電路選用北歐集成電路公司的多頻段無線收發芯片nRF905，無線 射頻芯片電路通過SPI總線與主控電路連接，通過MSP430單片機對其完成必要的初始化配 置和數據接收、發送控制.射頻天線接口采用差分天線，遠程監測的主控部分中無線射頻 接收裝置以nRF905芯片為基礎、無線信號經RS232接口傳送給遠程主計算機.主計算機平 臺軟件采用Visual C++開發，并以SQUerver作為后臺數據庫，。
4.根據如權利要求1所述的實時，現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系 統，其特征是放射性核素累積裝置由100微米厚，0. 45微米孔徑的硝酸纖維素滲透膜、聚 丙烯酰胺和同質化聚丙烯酸樹脂相結合的亞鐵氰化銅凝膠組裝而成，輻射探測器為內置 銫-137，活度大約500Bq/15nCi的標準放射源，可對儀器進行能量自動校準的碘化鈉閃爍 探測器，無線發射和接受采用GPRS模塊。
5.根據如權利要求1所述的實時，現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系 統，其特征是系統所用的輻射探測器包括各種高純鍺探測器，高純鍺X射線探測器，硅漂 移探測器，平面工藝硅探測器，Si-PIN探測器，硅面壘探測器，GS0:Ce，、LS0:Ce、BS0、BG0、 BaF2閃爍探測器，碲化鎘和碲鋅鎘半導體探測器，金剛石探測器，正比管。
6.根據如權利要求1所述的實時，現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系 統，其特征是無線通信模塊選用射頻通信模塊，3G無線通信模塊，GSM/GPRS或CDMA模塊， 藍牙模塊，衛星通信模塊，紅外模塊，微波通信模塊，IEEE802.il模塊，IEEE802. 15模塊， IEEE802. 16模塊，無線RS-232模塊，無線UWB，無線電USB模塊中的一種或一種以上。
全文摘要
實時、現場水中痕量放射性物質和輻射遠程無線監測系統，檢測技術領域用于水中痕量放射性物質和輻射的監測，克服現有技術中存在的操作復雜、精度低、具危險性，不能實現實時監測等缺點。由浮在監測現場水面上的水面平臺，固定在水面平臺上面的浮筒，安裝在浮筒內的由全球衛星定位(GPS)模塊，數據處理和電信號無線發送裝置，太陽能電池板，浸在水中的放射性輻射探測器，與放射性輻射探測器連結的由滲透膜和高分子凝膠組成的放射性核素累積裝置，沉在水底的蓄電池，無線信號接收機和主控計算機組成。其積極效果是擴大了低痕量方向的監測范圍，能查詢歷史數據、預設閾值、實時報警，監測精度高，對監測人員無輻射危害，操作簡便，制造成本低。
文檔編號G01T1/167GK102033240SQ20091021773
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月30日 優先權日2009年9月30日
發明者周保紅, 胡天佐 申請人:長春博信光電子有限公司